- •Задачи контрольной работы по теоретической механике для студентов специальности тлдп(б) заочной формы обучения
- •1. Выбор задач и варианта
- •2. Правила оформления
- •3. Проверка и рецензирование контрольных работ
- •4. Задачи для контрольных работ
- •Задача с1
- •Задача с2
- •Кинематика Задача к1
- •Задача к2
- •Образец выполнения
- •Образец выполнения
- •Задача к3
- •Образец выполнения
- •Y1, y2
- •Задача д2
- •Задача д3
A
Y1, y2
9 R


y1(t)

D
6

P y1=
y2
3 N B

y2(t) T




t


0 /2 F z C D

t1




–3 P x 30°
Рис.1 Рис.2
(3)
Подчеркнём, что все переменные силы, входящие в дифференциальное уравнение движения надо обязательно выразить через величины от которых они зависят.
В дальнейшем проекцию Vzcкорости груза на осьAzбудем для краткости обозначатьV.
Подставляя в (3) числовые значения массы mгруза, ускорения свободного паденияg= 9,8 м/с2и разделяя переменные, получаем
или
(4)
Проинтегрируем обе части (4) :
(5)
Здесь для установления пределов интегрирования используются начальные условия: при z= 0 (положениеА) скорость грузаV=V0=5м/с;
а также заданное значение для zВ=L= 2,5 м.
После вычисления интегралов в обеих
частях уравнения (5) получим :
или
.
Потенцируя последнее равенство, находим
и
определяем скорость груза в положенииВ:![]()
Перейдем к анализу движения груза на
участке ВС. Скорость
будет начальной скоростью движения на
этом участке .
Изобразим груз в произвольном положении на ВСи укажем действующие на него силы: силу тяжестиP=mg, нормальную реакцию стенок трубкиN, силу трения о стенкиTи заданную переменную силуF(t) (рис.1).
Согласно основному закону динамики для груза Dна участкеВС:
(6)
Введем координатную ось Вxс началом в точкеВ. Спроектировав на неё (6) получим дифференциальное уравнение движения груза:
(7)
где проекции:
;
;
;
(8)
Последнее равенство означает, что
изменение направления движения тела
(
)
вызовет изменение направления силы
трения:
.
В начале движения вдольВС
,
поэтому примем:
![]()
После подстановки значений проекций в (7) получаем:
(9)
Умножая обе части уравнения (9) на dtи интегрируя, найдем
(10)
Будем отсчитывать время от момента,
когда груз находится в точке В, тогда
приt= 0 :
.
Подставляя в равенство (10) значенияt= 0,
, получим :![]()
При найденном значении
уравнение (10) дает
(11)
Умножая в (11) обе части на dtи интегрируя, найдем
(12)
Так как при t= 0 груз
находится в положенииВ, а значитx= 0, то из (12) следует
.
Искомый закон движения груза на участкеВС:
,
(x– в метрах,t– в секундах) (13)
Уравнение (13) правильно описывает
движение груза только до тех пор, пока
его скорость
.
Поэтому следует определить момент
времени, когда груз останавливается
или меняет направление своего движения
(
).
Это время находится из уравнения
или
(14)
Приближенное решение уравнения (14) можно
найти графическим способом. Для этого
строим графики функций
и
(рис. 2). Абсцисса
точки пересечения графиков функцийy1(t)
иy2(t)
(рис.2) является корнем уравнения (14).
Итак в момент
с
груз останавливается (
)
в положении
18,9
м . Груз продолжит свое движение лишь
тогда, когда силы
,Pпреодолеют силу
трения т.е. если
или![]()
Последнее неравенство выполняется
только при
Н.
Это значит, что груз будет продолжать
движение вдольВС"рывками".
Задача д2
Механическая система состоит двух ступенчатых шкивов 4 и 5 cрадиусами ступенейR4= 0,3 м ,r4= 0,1 м иR5= 0,2 м ,r5= 0,1 м , грузов 1, 2 и катка 3, связанных гибкой нерастяжимой нитью.
Массы шкивов m4, m5следует считать равномерно распределенными по их внешним ободам; каток 3 - сплошной однородный цилиндр
радиусом r3= 0,1 м .
Под действием силы F, модуль которой зависит от перемещенияsточки её приложения (т.е.F =f (s)), система приходит в движение из состояния покоя.
При вращении шкивов 4 и 5 на них действуют пары сил сопротивления с постоянными моментами M4иM5соответственно. Коэффициент трения скольжения грузов 1, 2 о плоскостьf = 0,1. Коэффициент трения качения катка 3 по плоскости= 4 мм .
Определить значение искомой величины в тот момент времени, когда перемещение точки приложения силы Fравно. Искомая величина указана в столбце «Найти» таблицы 2, где обозначено:- угловая скорость шкива 4,V1- скорость груза 1,VC 3- скорость центра масс катка 3 и т.д.
Таблица 2
|
Номер усло-вия |
m1кг |
m2кг |
m3кг |
m4кг |
m5кг |
M4 Нм |
M5 Нм |
F = f(s) Н |
м |
Най- ти |
|
0 |
2 |
0 |
4 |
6 |
0 |
0 |
0,8 |
50(2+3s) |
1,0 |
V1 |
|
1 |
6 |
0 |
2 |
0 |
8 |
0,6 |
0 |
20(5+2s) |
1,2 |
|
|
2 |
0 |
4 |
6 |
8 |
0 |
0 |
0,4 |
80(3+4s) |
0,8 |
VC 3 |
|
3 |
0 |
2 |
4 |
0 |
10 |
0,3 |
0 |
40(4+5s) |
0,6 |
V2 |
|
4 |
8 |
0 |
2 |
6 |
0 |
0 |
0,6 |
30(3+2s) |
1,4 |
|
|
5 |
8 |
0 |
4 |
0 |
6 |
0,9 |
0 |
40(3+5s) |
1,6 |
V1 |
|
6 |
0 |
6 |
2 |
8 |
0 |
0 |
0,8 |
60(2+5s) |
1,0 |
|
|
7 |
0 |
4 |
6 |
0 |
10 |
0,6 |
0 |
30(8+3s) |
0,8 |
|
|
8 |
6 |
0 |
4 |
0 |
8 |
0,3 |
0 |
40(2+5s) |
1,6 |
VC 3 |
|
9 |
0 |
4 |
6 |
10 |
0 |
0 |
0,4 |
50(3+2s) |
1,4 |
V2 |
Указания.Д2 - задача на применение теоремы об изменении кинетической энергии механической системы [1],c.307.
(1)
При решении задачи следует учесть, что кинетическая энергия системы равна сумме кинетических энергий всех входящих в систему тел. Эту энергию надо выразить через ту скорость (линейную или угловую), которую требуется определить в задаче.
При вычислении кинетической энергии катящегося катка 3 для установления зависимости между его угловой скоростью 3 и скоростью

его центра масс VC3следует использовать мгновенный центр скоростей катка.
Рассматриваемая система является неизменяемой (тела - абсолютно твердые, нити – нерастяжимые), поэтому суммарная работа внутренних
сил равна нулю [1], с.308. Следовательно, в правой части (1) учитываются лишь работы внешних сил. Все перемещения, необходимые для вычисления работ, следует выражать через заданное перемещение .
Если по данным таблицы m1= 0 илиm2= 0, то соответствующее тело можно на рисунке не изображать.
О
бразец
выполнения задачи Д2
Условия задачи. Массы тел системы, изображенной на рис.3:m1=4 кг,m2 = 0 (поэтому тело 2 на рис.3б не показано),m3 = 2 кг,m4 = 0,m5= 5 кг. Радиусы :R5= 0,2 м ,r5= 0,1 м ,r4= 0,1 м ;r3= 0,1 м.
Сила F= 2(1+2s) Н (s– перемещение катка 3 в м). Момент пары сил сопротивленияM4= 0,6 Нм. Коэффициенты трения:f = 0,2;= 4мм.
Определить значение скорости V1груза 1, в тот момент времени когда перемещение катка достигнет величины= 2 м .
Решение.Для определения скоростиV 1воспользуемся теоремой об изменении кинетической энергии механической системы (1).
Поскольку в начальный момент времени система находилась в покое, то соответствующая кинетическая энергия T0= 0. Кинетическая энергияT системы в конечном состоянии (когда перемещение катка= 2 м) равна сумме кинетических энергий всех тел системы:
(2)
сюда не включены кинетические энергии тел 2 и 4, массы которых равны нулю.
Учитывая, что тело 1 движется поступательно, тело 3 совершает плоскопараллельное движение, а тело 5 - вращается вокруг неподвижной оси, получим :
,
,
(3)
Все входящие сюда скорости выражаем через искомую V1, используя известные из кинематики соотношения:
,
,
(4)
Входящие в (3) центральные осевые моменты инерции катка 3 (однородного цилиндра) и шкива 5 (масса равномерно распределена по внешнему радиусу R 5 ) вычисляем по формулам :
,
(5)
Подставив выражения (4), (5) для величин ,VC 3,,I C3,I 5в (3), получим для кинетической энергии (2) всей системы :
(6)
Теперь найдем сумму работ всех сил, действующих на тела системы, на их перемещениях из начального положения в конечное.
Работа переменной силы F(s) на конечном перемещениинаходится в виде интеграла :
(7)
Работы сил тяжести тел системы :
,
(8)
где
-
вертикальное перемещение центра тяжести
катка 3;
,
(9)
т.к. перемещения центров тяжести тел 1, 5 вдоль вертикали - нулевые.
Работа силы трения
груза
1 о плоскость :
,
(10)
где
- нормальная реакция плоскости, по
которой перемещается груз;
-
перемещение груза 1.
Работа пары сил сопротивления вращению шкива 4 :
,
(11)
где
-
угол поворота шкива 4 .
Пара сил сопротивления качению катка
3 имеет постоянный момент
и совершает работу:
, (12)
где N3=m3g
cos30-
нормальная реакция плоскости качения;
- угол поворота катка 3.
Работы остальных внешних сил равны нулю:
A(Fсц)=A(N3)=0, поскольку точка приложения силFсциN3является мгновенным центром скоростей катка 3;
A(N1) = 0, , т.к. силаN1перпендикулярна перемещению точки её приложения;
работа реакций осей шкивов (эти силы на рис.3.б не показаны) равна нулю, поскольку точки их приложения не перемещаются.
Все необходимые для вычисления работ линейные и угловые перемещения выражаем через заданное перемещение центра катка 3, учитывая что зависимости между перемещениями будут подобны зависимостям (4) между соответствующими скоростями :
;
;
;
(13)
Находим сумму работ (7) - (12) , учитывая (13) :
![]()
(14)
Подставим полученные выражения (6) и (14) в уравнение (1) :

![]()
![]()
Из последнего равенства выражаем скорость груза 1 :

Подставляя числовые значения заданных величин получим V1= 0,91м/с.
